热成像在食品工业的运用研讨论文
2020-01-22 09:08:01 283
微型辐射热量计是灵敏的红外探测器。当从被测物体接收红外辐射时，相机系统可以将被测物体发出的8〜12μm波段的红外线转换为电子。然后将信号转换为图像。热电电压，电阻，热电电压等机械设备可以检测短波至长波范围内的红外线
，并且可以灵敏地检测室温下的长波红外线，以及中波的检测灵敏度。高温（例如400°C）的红外线。更高的是，这些特性可以应用于食品工业。不同的颜色用于表示图像模型中的不同温度，这些温度可以准确反映被测对象的空间温度分布。与单点接触温度测量方法（例如热电偶和温度计）相比，热成像技术具有更高的瞬态和空间分辨率，并且可以量化表面温度的变化，从而可以提供被测温度。材料的相关特性，例如结构组成，尺寸，物理和化学特性以及动态特性
，可以与计算机软件结合使用以增强其分析强度。高空间分辨率的热成像技术可以根据温度差直观地分析被测物体。在分析过程中，图像采集速度高达每秒50〜60张图片，非常适合测量热特性快速变化的物体
。热成像技术在食品工业中的研究现状
热成像技术在热处理中的应用。温度控制和监视不仅是食品在预处理，预热，热印和消毒等过程中的重要控制因素，而且还会影响食品存储，运输和销售过程的其他方面。食品工业中的传统温度控制使用诸如热电偶，温度计和热敏电阻之类的接触方法。近年来，包括热成像技术在内的一些非接触式测量方法和成像技术也已经实现了高频和高分辨率。优点已被广泛使用
。热处理有助于形成多种食品风味物质，提高食品安全性，并延长保质期。加热过度会导致食物组织受损，而加热不足会导致加热不均匀或灭菌不彻底。与传统的热处理方法相比，热成像技术对灭菌处理中的传热和热量平衡具有重要意义，并且具有高速，无损和防止交叉感染的优点。 SAMUEL等。 开发了一种高温恒热蒸汽灭菌系统，该系统利用表面热灭菌有效地减少了内部加热和材料损坏。该系统基于热成像技术，结合了蒸汽注入，电蒸汽干燥等原理，并使用温度监控器实时，独立，分阶段，准确地控制过程的每个阶段的温度。结果表明，该系统能有效减少胡萝卜在贮藏过程中由核盘菌引起的软腐病的发生，并能将其植物毒性颜色变化降低60〜80％。热成像技术有助于加强对食品表面冷热循环的控制[10-11]，可用于即食食品的质量和安全控制以及食品表面温度的在线检测
。 -13]。 IBARRA等。基于鸡胸肉的表面温度和加热时间建立了一个统计模型。成像技术的温度被用来估计烹饪后鸡肉的内部温度。此外，该技术还可用于微波加热过程的设计和针对不同类型食品的微波加热模式的区分
。在类似的研究中，该技术用于确定微波加热期间黑麦和燕麦的过冷度和热点。热成像技术还可以改善水果的热量消耗及其质量。 FITO等。
通过测量脱水过程中的温度分布来研究柑橘的脱水动力学，然后确定水果的最终干燥点以建立其在线质量控制系统。此外，热成像技术可以检测食物的加热效率，通风，空气状况和冷却效果，并跟踪食物生产中的潜在空气污染源等。
热成像技术在水果和蔬菜收获后质量控制中的应用。机械损伤，微生物感染和成熟加速引起的表观损害经常影响收获蔬菜的质量并造成巨大的经济损失。手工评估方法（如传统方法中的目测检查）耗时且易受人体疲劳影响，无损检测技术（如光谱成像和热成像）已在收获蔬菜的质量控制中迅速发展[20，21，22] 。目前，热成像技术正在客观地量化机械损伤。该方法利用样品之间的热扩散系数差异，并使用具有不同损坏程度的样品来检测对温度的差异响应。 1980年，自然对流法已用于研究苹果的机械伤害随温度的变化
。在最近的研究中，Varith等。
将具有机械伤害的苹果隐藏在26°C和50％空气湿度的环境中48小时，然后使用热成像技术分别观察热处理和冷却期间苹果的温度变化。为了识别受到机械伤害的个体，该技术与高光谱技术相结合可以有效地检测水果的早期机械伤害[25]。结果表明，损伤组织与正常组织在30〜180s内至少存在1〜2℃的温差，机械损伤的检出率为100％。该方法可广泛用于水果和蔬菜的机械分选。储存前后的冷却速度和表面温度可用于评估苹果的表面质量和蜡质层结构。研究发现，不同品种的降温速度明显不同，这与它们的蜡质层结构有关，但是在储存过程中该指标不可用。显着差异[26]热成像技术不仅可以用于检测收获蔬菜的机械损伤，还可以用于检测其生理疾病。 “水性心脏病”是苹果的生理性疾病之一。患病水果的内部组织被沾水，果肉是半透明的。轻度患病的水果的外观不容易识别。 BARANOWSKI等。 [27]将储存在1.5°C到20°C（温度差18.5°C）的水果样品移开，并将温度升高20分钟。加热速率的差异用于确定水果是否感染了水心脏病。研究发现，在预处理过程中增加温差可以缩短水核心病的观察时间。对番茄轻度组织软化的研究比较了在1°C下冷却90分钟和在烤箱中在70°C加热的情况。〜－2min，微波加热7〜15s三种不同的方式检测机械损伤的治疗结果；结果表明，微波加热15s可以有效地区分被检测物体的细微机械损伤[28]。水果和蔬菜成熟度的评估是采摘前后的关键步骤。 BULANON等。 [29]研究了柑桔冠层和果实的热量瞬时变化，并将热成像技术应用于柑桔成熟度的检测。在这项研究中，使用红外热像仪监控树冠24小时，并测量了表面温度，环境温度和相对湿度。将测得的数据与水果的热辐射系数（估计为0.9）结合起来以补偿热图像。分析结果表明，在下午4点至午夜之间，冠层与果实之间的温差较大，通过测量此期间果实之间的温差可以区分成熟度。此外，热成像技术可用于以不浇灌和不损坏的方式观察各个器官的生长状况和水分[30-31]，为研究大的苗木种群提供了新的视角。热成像技术在谷物质量和安全性评估中的应用。病虫害和微生物感染是影响谷物质量和安全性的重要因素。在食品的货架期和储存期间对病虫害的检测非常重要。这不仅与食品安全法规有关，而且与人们谷物消费的健康和满意度有关。检查粮食病虫害的传统方法包括人工选择和筛选。由于大量的晶粒，小的尺寸以及许多用肉眼难以检测到的特征，手动检测方法麻烦，效率低，主观且误差大，难以精确。从受感染昆虫的特定生长期来看[32]，热成像技术的出现和发展可以有效地解决此类问题。使用热成像技术可以在后胚发育阶段检测昆虫。原理是昆虫在此期间的呼吸会产生热量，这与谷物形成的温度不同[33-34]。这项技术对谷物疾病和害虫的鉴定有很好的效果，但是在鉴定昆虫的生长期方面相对无效[35]。 MANICKAVASAGAN等。 [36]研究了生锈的红色扁平海盗感染的小麦的温度分布图，并观察到小麦的温度曲线与被感染昆虫的呼吸有关。这项研究的结果可以进一步应用于在线连续检测谷物。另外，热成像技术在小麦的分类和鉴定中显示出很高的辨别力，而仅通过外观检查很难用传统方法实现[37-38]。
热成像技术在异物检测中的应用。异物检测是食品质量和安全性检测的重要方面。最常见的方法是外观检查，但是有很多限制因素。常见的物理筛选方法包括筛选，沉降，筛选，过滤和重力法。诸如金属探测器，X射线，光学传感和超声方法之类的精密仪器系统也经常用于异物检测[39]。上述方法不可能根据尺寸和形状检测所有异物。热成像技术通过热特性的差异来区分食物和异物。该技术是检测异物的辅助方法，是光学和机械方法的补充检测。就是说，检测效果与被测食品的物理性质，成分和图像噪声有关[40]。 GINESU等。 [41]使用热像仪成功地检测到食物中的异物，例如腐烂的坚果，贝壳，鹅卵石等，证实了热成像技术在该检测领域的有效性。
热成像技术的前景
随着高分辨率红外探测器的发展，热成像技术已在食品工业中得到越来越广泛的应用。但是，该技术在在线食品质量检验中的应用仍然需要克服一些限制。首先，热成像技术通常使用冷或热处理在检测之前形成样品之间的温差。这个过程可能会引入污染物并改变某些食物的感官特性[42]。因此，热成像检测系统的设计需要考虑被测食物对温度的抵抗力。另外，热处理或冷处理系统必须在红外摄像机的拍摄范围内均匀分布，否则热量分布的变化会影响成像效果。其次，环境热干扰将影响热成像传感器的操作。因此，在在线监视中，必须控制加工温度。此外，不均匀的图像背景（例如传送带系统）可能会影响检测器引起的背景噪声的去除。就检测器本身而言，如果像素具有不均匀的响应或“死点”或“坏点”，则有必要加强对获得的图像的准确性的要求。通常，“不良像素”约占检测器像素的1％，并且该比例随着相机的老化而增加[43]。因此，建议经常检查热像仪的性能。 “坏点”检测表面可以具有均匀的温度分布，并且可以通过替换相邻像素的平均值或中值来校准此类像素。
